CN113692476A - 建造地下隧道的方法和系统 - Google Patents

Abstract

数公里长的长隧道很可能会穿过可能会引起问题的各种地质条件。传统方法包括沿拟建隧道的长度对地质条件进行采样，然后根据这些采样进行推断。本发明试图通过以下方式克服现有技术的缺点：沿第一预定路径钻出第一孔10，第一孔的长度至少为25m；沿着相应的第二预定路径钻出多个第二孔20，每个相应第二预定路径基本上与所述第一预定路径平行，从而限定在第一预定路径和第二预定路径之间的大致为棱柱形的区域；以及挖掘出大致棱柱形的区域内的材料以形成隧道。通过这种方式，可以记录下钻出第一孔10和多个第二孔20时的数据，并且数据可用于使操作员知晓他们将要挖掘的材料类型。因此，在开始挖掘之前，可以更全面地了解下伏地质条件。

Description

建造地下隧道的方法和系统

本发明总体涉及一种建造地下隧道的方法和系统，并且发现本发明在建造数公里长的隧道方面特别有用，但是这并不是其唯一的用途。

在建造隧道过程中遇到的挑战有建造成本高，建设速度慢，其次主要的挑战还是地质条件。在相对较短的隧道中，地质可能非常一致且易于规划。然而，数公里长的隧道可能会穿过一系列地质条件，造成重大甚至可能出现的灾难性问题。理想情况下，隧道的整个长度应通过有利和/或一致的地质条件建造。

然而，传统方法仅涉及从上方(在可以实现的情况下)沿拟议隧道长度对地质条件进行采样，然后根据这些样本中进行推断。

众所周知，隧道掘进机(TBM)包括一个大型金属圆柱形盾构机，盾构机前面有一个旋转的切割轮，并包含一个存放挖掘出的土壤的腔室(并且可选择与泥浆混合以进行提取，具体取决于地质条件/土壤条件)。腔室后面有一组液压千斤顶，用于相对于后面的混凝土隧道壁向前推动TBM。随着TBM向前移动，隧道壁被分段安装。TBM开挖一段长度后就会停下来，由安装者利用预制混凝土段建造一个新的隧道环。可以在盾构机后面、隧道完工部分内找到更多的操作机制，通常认为这些操作机制是TBM系统的一部分：污垢清除、泥浆管道(如果适用)、控制室、用于运输预制管片的轨道等。然而，TBM有各种缺点，包括隧道掘进的起停特性，以及单个TBM不能轻易在不同岩石/土壤类型(尤其是严重断裂和剪切的岩层)之间转换。

此外，还有用于采矿、石油和天然气以及建筑行业的各种定向钻孔技术。例如，水平定向钻孔(HDD)用于安装管道等。HDD能够钻出长度仅约800m、直径仅介于100mm和1200mm之间的适当精确的孔。或者，定向钻孔用于石油和天然气行业，可以钻出更长的孔。

本发明试图通过提供如下所述的系统和方法来克服现有技术的缺点。本发明可用于建造新隧道，以及用于扩大和/或重新衬砌和/或修复现有隧道的方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种建造地下隧道的方法，该方法包括以下步骤：沿着穿过下伏地质的第一预定路径钻出第一孔，该第一孔的长度至少为25m；沿着穿过下伏地质的相应第二预定路径钻出多个第二孔，每个相应第二预定路径基本上与所述第一预定路径平行，从而限定在第一预定路径和第二预定路径之间的大致为棱柱形的区域；以及在大致棱柱形的区域内挖掘出材料以形成隧道。

通过这种方式，可以记录下钻出第一孔和多个第二孔时的数据，并且数据可用于使操作员知晓他们将要挖掘的材料类型。因此，在开始挖掘之前，可以更全面地了解下伏地质条件。

钻孔可以包括定向钻孔，例如HDD或石油和天然气行业中使用的定向钻孔形式。

钻孔作业可以从预先建造的隧道入口和/或出口、位于中间的竖井和/或从地面进行。

第一孔和/或多个第二孔中的每个孔可以包括孔和/或竖井，该孔和/或竖井的横截面基本上为圆形并且长度约大于其直径。例如，每个孔的直径可以在100mm到1200mm之间；每个孔的长度可为至少25m、至少50m、至少100m、至少200m或更长。

该方法可以包括确定所述第一预定路径(以及可选的所述第二预定路径)；然而，这是通过常规方法完成的。

所述大致棱柱形区域可以由多个第二孔单独限定，或者可以由多个第二孔和第一孔的组合一起限定。例如，所述第一孔与两个第二孔组合可形成三棱柱形区域。又比如，三个第二孔可以单独形成一个三棱柱形区域，其中第一孔位于三棱柱形区域内；或者，如果相对于彼此适当地放置，则三个第二孔与第一孔一起可形成长方体(方形棱柱形)区域。

棱柱形区域可以弯曲；也就是说，该区域可以具有沿其整个长度的规则(例如三角形、正方形等)或其他几何形状的横截面(以及几何形状，并且该形状的尺寸可沿其长度是恒定的)，然而该区域基于的路径可能并不是一条直线，而是一条曲线。

所述第一孔可包括单个第一孔或多个第一孔(例如两个或三个第一孔)。第一孔可包括导孔。导孔可以与棱柱形区域的周边间隔开，穿过棱柱形区域的内部定位。

可以收集来自第一钻孔的数据，从而确定进行钻孔操作的材料。

多个第二孔可以形成隧道轮廓；即，多条第二路径可以沿着拟建隧道的壁突出。

隧道的横截面可以是圆形的；然而，其他横截面也是可能的，例如矩形、半圆形、拱形、平底等。圆形或弯曲的壁可以提高如此形成的隧道结构的稳定性，但在认为没有必要的情况下(例如根据从第一/第二钻孔中获得的数据)可以选择平地，以方便人员、挖掘设备和渣土车移动。

第一孔和/或第二孔可以衬有例如(例如牺牲性的)管道或衬里。通过这种方式，可以保护每个孔的完整性。可以在开始和/或完成多个第二孔的钻孔之前/之后给第一孔加衬。类似地，可以在开始和/或完成第一孔的钻孔之前/之后给第二孔中的至少一个孔加衬。加衬可包括给整个孔或仅部分孔加衬。在挖掘之前，可以移除或部分移除任何钻孔衬里。

可以同时钻出第一和第二孔中的全部或一些孔，或者每个孔可以单独钻出。这点在每个钻孔的完整性受到威胁的沙子/土壤中钻孔时尤其重要。

可以利用隧道盾构挖掘大致棱柱形区域内的材料以形成隧道，隧道盾构在其前缘上包括多个探头，多个探头中的每个探头与所述第一孔和所述多个第二孔中的相应孔对准。

盾构的形状与隧道的轮廓相匹配；即要开挖区域的横截面。探头的尺寸可设计成适配安装在第一和/或第二孔内；特别地，探头的尺寸可设计成允许每个孔的位置与其预定路径有一些变化，例如高达50cm，更特别地高达30cm。

可以通过暂时收回/移除相关探头(直到它可以重新接合)并通过其他方式(例如，掘进机单元上的悬臂式切割头)进行挖掘来解决超出公差范围的拉伸。

探头可以配备(可选地可互换)工具，允许它们从第一和/或第二孔内挖掘。特别的，可以使用各种不同的工具来处理不同的材料，这些工具例如刀盘、旋转切割机滚筒或锥体、带有适合所加工材料的齿的链锯式臂、高压水、犁刀片和液压分离器，液压分离器可以根据需要在隧道周围和向隧道内施加巨大的压力，以进一步松开和分解要移除的材料。

所述探头可以是可伸缩的，从而可以在不需要移动盾构的情况下将探头移除或更换工具。

塌陷/坍落技术可用于要开挖的柔软和/或松散材料。对于这种类型的工作，随着盾构前进，探头装有犁刀片。

随着盾构前进，可以使用激光阵列不断扫描新暴露的开挖外表面，以确保没有留下任何材料从外围壁突出到隧道中，从而导致污染或阻碍盾构的行进。当弃土覆盖新暴露的隧道区域时，也可以使用探地雷达。

该方法还可以包括在检测到时去除这些区域，例如通过使用安装有风钻或可互换切割头或其他合适工具的机械臂来去除这些区域。

定向钻孔/钻井技术可以与盾构技术相结合，使得在盾构上的每个探头之前进行钻孔操作，从而允许盾构在钻孔完成之前前进。

盾构可以有一个倾斜的前缘，其角度可以通过传统方法根据待挖掘材料的性质来选择。特别是，倾斜的前缘向上并朝向待开挖的隧道倾斜。

盾构可由液压油缸推动。

盾构可以包括拉铲盾构，并且该方法还可以包括将拉铲盾构拉过材料。拉铲盾构可能是隧道盾构和拉铲挖掘机技术的组合。拉铲挖掘机可包括悬挂在吊臂上的拉铲铲斗，由此可通过吊臂定位拉铲铲斗的位置。缆线/绳索/链条(通常由绞盘控制)用于拖动铲斗，从而将要挖掘的材料舀入铲斗。拉铲盾构类似地由绞车控制的缆线牵引(其中缆车穿过第一和/或第二孔)，但不需要定位吊臂因为拉铲盾构位于隧道内并且不需要定位。

拉铲盾构可由多根缆线拉过材料，多根缆线中的每根缆线穿过第一孔和多个第二孔中的相应孔。

通过这种方式，盾构的行进可能是可靠和持续的。每条缆线都可以连接到相应的探头。一个或多个绞盘可作用于多条缆线中的相应缆线，或多条缆线中的一根以上的缆线上，以向前拉动盾构。绞盘可设置在孔的相对端(例如开口端)处。

多条缆线中的每条缆线可向下穿过第一孔和多个第二孔的其相应孔到达固定在井下的缆线返回托架，并且向上穿过相应孔返回到拉铲盾构。

通过这种方式，绞盘可以设置在盾构的后面或内部，并且可以在完成每个孔之前使盾构能够运行。

缆线返回托架可以包括夹紧系统，该夹紧系统与壁接合，其中孔放置在壁内。夹紧系统可以远程操作以根据命令接合和脱离接合，从而可以在需要时将其移动到新位置。

可以通过机械挖掘机等方式连续地将弃土清除到装载机构上。然而，在优选实施例中，盾构的形状设置成使得盾构向前穿过挖掘出的隧道的运动将挖掘产生的弃土提升到装载机构上。特别是，提升弃土的动作类似于推土机或拉铲铲斗的动作。

通过常规方法去除盾构上的弃土；它已被传送回隧道地板能够承载重型机械的地方。重型机械可包括零排放无人驾驶电动或氢动力运输车辆。这些车辆可能会将材料，例如如果使用预制衬砌段，运送到工作区域并带走弃土。车辆可以被配置为在恢复操作之前在需要时自动返回充电点。

最低的钻孔(例如沿着隧道的地板)可以在弃土进入盾构的点之后清扫干净，以便盾构的起落架(例如车轮/滑橇)从牺牲衬里开始在留在适当位置的粗糙半管上运行。通过这种方式，在盾构行进过程中不再需要安装导轨或导轨不再需要进一步延伸。

任何一个或每个孔都可以衬有衬里。衬里可包括牺牲衬里。衬里可包括实心壁。或者，衬里可以预先穿孔；通过这种方式，可以在充分了解下伏地质条件的情况下避免现场的时间和成本。预穿孔衬里可包括覆盖穿孔的外套筒；通过这种方式，可以防止材料或水以不受控制的方式进入孔中。

设备可以以常规方式穿过衬里以在所需位置执行操作。该设备可包括返回托架、钻头和/或射孔枪。特别地，射孔枪(如在水力压裂工业中常规使用的)可以穿过衬里以在理想位置对衬里进行穿孔。射孔枪可包括多个成形炸药弹。射孔枪可以被配置为削弱衬里以外的材料；即炸药可能会破坏材料。穿孔可在衬里上的期望位置处形成，例如面向棱柱形区域向内、背离棱柱形区域向外、和/或沿棱柱形区域的轮廓的横向位置。

该方法还可包括在挖掘材料之前处理下伏地质的步骤，以提高挖掘材料的效率。

处理可以包括大致棱柱形区域内的材料的声学和/或水力压裂。

在该区域内的材料相对较硬的情况下，可以例如通过穿孔引入加压水，导致材料破裂。与去除天然气或石油的压裂操作不同，没有必要引入小颗粒水力压裂支撑剂(砂或氧化铝)来保持裂缝张开。

通过穿孔，应用声学和/或水力压裂技术允许压裂仅发生在例如，特定的预定方向，进入该地区。

在盾构之前，铰孔工具可穿过一个或多个孔以破坏牺牲衬里，这允许用于挖掘的材料塌陷/坍塌，从而有助于进行移除工作的展开。

处理可以包括稳定大致棱柱形区域外的下伏地质。

通过这种方式，在区域外的材料相对薄弱、包含空隙、不稳定或浸水的情况下，材料可以稳定。设备可以放置在孔下以稳定下伏地质。

稳定可以通过地面冷冻技术，例如通过泵送通过衬里并可能通过穿孔离开衬里的冷却剂来实现。冷冻技术可能是暂时的。

作为替代方案，可以例如通过(例如在伸缩臂内的)化学输送喷嘴通过注入化学稳定剂来实现永久稳定。使用的稳定剂的数量和类型将由要稳定的地质决定，并可根据需要进行控制，可以包括水泥或任何其他合适的材料，例如微水泥、矿物灌浆(称为胶体二氧化硅)、水敏聚氨酯(快速反应发泡树脂以防止进水)、快速反应和非水敏性聚脲硅酸盐系统(膨胀泡沫填充空隙)、丙烯酸树脂、喷射灌浆即。现场施工固化地面达到设计特点；通常称为Soilcrete(RTM)等。

稳定大致棱柱形区域外的下伏地质可大大减少，如果不能完全防止，进一步进水。任何留在待开挖隧道范围内的地下水都可以通过最下方的钻孔排出。

如上所述的稳定或削弱可以与盾构同步，以便在开始盾构推进之前不需要完全完成地面准备。

大致棱柱形区域外的下伏地质的稳定性可用于在开挖之前形成隧道的初始外部结构(壳)。

替代和/或附加隧道衬砌选项包括预制混凝土管片(带或不带防水衬里)、现浇混凝土(例如，涉及使用钢筋的模块化百叶窗设计模板)和/或喷射混凝土，例如“喷射混凝土”(有或没有喷涂防水膜，并可选择加入屋顶螺栓、金属丝网或钢肋/钢筋)。

可以想象，本发明还可以与木材、砖砌、砌块、砌体、隧道方法中的管道和/或铸钢/铸铁段的隧道衬砌一起使用。

例如，隧道衬砌的形成可能包括喷涂防水膜(例如，巴斯夫(RTM)喷涂防水膜构成连续防水系统，并配制成与喷涂混凝土和现场混凝土结合使用以促进复合结构的建造)和纤维增强混凝土的内部精加工喷涂。或者，如果地质需要更大的结构完整性，则可能首选现浇方法。

该方法还可以包括连续的混凝土成型过程。特别是，当盾构向前推进时，一系列有序的可重复使用的金属成型机中的最后一个可以向前移动，旧混凝土已经凝固，并定位在前部，浇筑将在几乎不间断的过程中继续进行。可以将水和水泥带入工作区域，并且可以在可能的情况下使用挖掘的骨料将混凝土在本地混合到挖掘操作中。预计成型机的长度约为10m，在使用中每节组3或4个，并具有10个或更多的段组。这意味着盾构后面约90米的隧道将具有成型机，其在前部放置新浇筑的混凝土，并在后部设置混凝土，在后部成型机段组以一种连续的循环被移除并被移动到前面。成型机可以相互通过，以便混凝土最旧并已凝固的单元可以向前移动以重新部署在流程的前面。成型机和要浇注混凝土的表面之间的密封可以用气动垫圈制成。一旦放置了最新的模板并且垫圈充气，先前的垫圈将放气，以便浇注保持连续。可以简单地重复该过程。

定向钻孔和挖掘产生的弃土可用于制造混凝土，该混凝土可以泵入隧道蒙皮(如果使用预制衬里)和壳之间的空间，以填充其间的空隙并进一步稳定结构。

替代地或另外地，这种弃土(例如碎石)可用作现场制造混凝土所需的骨料的一部分，以使用可移动和可重复使用的模板或其他衬砌方法(例如喷射混凝土)形成隧道衬砌。

可以在盾构向前移动期间在连续过程中浇筑平坦的地板，其中金属板或结构在混凝土凝固时保护混凝土。盾构可以利用隧道底部的一些定向钻孔作为轨道或导轨(所需数量由盾构设计决定)。一旦所有隧道开挖动作都停止并且盾构已被移除，这些可以被填充或重新利用。

根据本发明的第二方面，提供了一种建造地下隧道的方法，该方法包括以下步骤：沿着穿过下伏地质的第一预定路径钻出第一孔；沿着穿过下伏地质的相应第二预定路径钻出多个第二孔，每个相应的第二预定路径基本上平行于第一预定路径，以便在第一预定路径和第二预定路径之间限定大致棱柱形区域；用管子和/或衬里给第一孔和/或多个第二孔中的至少一个加衬里；以及挖掘大致棱柱形区域内的材料以形成隧道。这样，可以保护每个孔的完整性。

第一孔和/或多个第二孔可以衬有(例如，牺牲)管道或衬里。如本领域公知的，管道和/或衬里可包括塑料材料。

第一孔的长度可为至少25m或小于25m。例如，第一孔的长度可为至少5m、10m、15m和/或20m。然而，第二方面的其他特征可以与第一方面相同。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于根据第一方面或第二方面所述的方法建造地下隧道的系统，该系统包括：定向钻井设备，配置为钻出第一孔和多个第二孔；挖掘设备配置为挖掘由第一孔和多个第二孔限定的大致棱柱形区域内的材料以形成隧道。

通过以下结合附图描述的具体实施方式，本发明的上述和其它特征和优势将变得显而易见，其中附图通过示例的方式来说明本发明的原理。上述描述仅用于举例说明，而不限制本发明的范围。以下引用的参考附图是指附图。

图1是由圆形孔限定的隧道轮廓的视图。

图2是钻入山坡的钻孔的侧视图。

图3是图1的隧道轮廓的局部视图，示出了来自射孔枪的爆炸方向。

图4是与图3相似的视图，显示了由水力压裂形成的裂缝。

图5是与图3和图4类似的视图，显示了各种稳定技术。

图6是一个完整的隧道轮廓视图，与图1类似。

图7是拉铲盾构的侧视图。

图8是在孔内使用的预穿孔牺牲衬里的视图。

图9是孔下伸缩式化学品输送托架的视图。

图10是孔下缆线返回托架的视图。

本发明将参照某些附图进行描述，但本发明不限于此，而仅受权利要求的限制。所描述的附图只是示意性的并且是非限制性的。每张附图可能不包括本发明的所有特征，因此不应被认为是本发明的一个实施例。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明实践的实际缩减。

此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分相似元素，并不一定用于描述时间、空间、排序或任何其他方式的顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且能够以不同于本文描述或图示的其他顺序进行操作。同样，以特定顺序描述或要求保护的方法步骤可以理解为以不同顺序操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上方、下方等用于描述目的，并不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且能够按照不同于本文描述或说明的方向进行操作。

需要注意的是，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为仅限于其后列出的装置；它不排除其他元素或步骤。因此，它被解释为指定所提及的所述特征、整体、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤或组件或其组。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应限于仅由组件A和B组成的设备。这意味着就本发明而言，设备的唯一相关组件是A和B。

同样，需要注意的是，描述中使用的“连接”一词不应被解释为仅限于直接连接。因此，表述“连接到设备B的设备A”的范围不应限于其中设备A的输出直接连接到设备B的输入的设备或系统。这意味着A的输出和B的输入之间的路径可以是包括其他设备或装置的路径。“连接”可能意味着两个或多个元件直接物理或电接触，或者两个或多个元件彼此不直接接触但仍相互协作或相互作用。例如，考虑无线连接。

整篇说明书中对“一个实施例”或“一个方面”的引用是指结合该实施例或方面描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例或方面中。因此，在本说明书各处出现的短语“在一个实施例中”、或“在一个方面”不一定都指代相同的实施例或方面，而是可以指代不同的实施例或方面。此外，本发明的任何一个实施例或方面的特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式与本发明的另一实施例或方面的任何其他特定特征、结构或特性组合，这对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。

类似地，应当理解，在描述中，有时在单个实施例、附图或对其的描述中将本发明的各种特征组合在一起，目的是为了简化公开并帮助理解一个或多个各种创造性的方面。然而，这种公开方法不应被解释为反映要求保护的发明的特征需要比每个权利要求中明确叙述的特征多。此外，任何单独的附图或方面的描述不应被认为是本发明的实施例。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。因此，具体实施方式之后的权利要求特此明确并入该具体实施方式中，每个权利要求独立作为本发明的单独实施例。

此外，如本领域技术人员所理解的那样，虽然本文描述的一些实施例包括包含在其他实施例中的一些特征，但不同实施例的特征的组合意在落入本发明的范围内，并且形成更进一步的实施例。例如，在以下权利要求中，可以以任何组合使用任何要求保护的实施例。

在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，为了不混淆对本描述的理解，没有详细示出公知的方法、结构和技术。

在本发明的讨论中，除非有相反的说明，否则可将参数的允许范围的上限或下限的替代值以及所述值之一比另一值更优选的描述解释为暗示所述替代值的更优选和不那么优选的值之间的所述参数的每个中间值本身要比所述不那么优选值优选，或比所述不那么优选值和所述中间值之间的每个值优选。

在某些情况下，“至少一个”一词的使用可能仅表示一个。在某些情况下，“任何”一词的使用可能意味着“所有”和/或“每个”。

现在将通过对与示例性特征相关的至少一幅附图的详细描述来描述本发明的原理。很明显，在不脱离基本概念或技术教导的情况下，根据本领域技术人员的知识可以配置其他布置，本发明仅由所附权利要求的条款限制。

图1是由圆形孔限定的隧道轮廓的视图。沿着隧道的路径钻出三个中心导孔10。围绕这些中心导孔，钻出多个形状限定孔20以形成具有平坦下底部的拱形隧道轮廓。隧道的倾斜角度根据相关隧道的具体要求进行优化，例如可以是垂直的。

图2是在钻入山坡30期间导孔10和形状限定孔20的侧视图，孔10、20中的每一个的长度比它们的最终长度短。可以理解，一些钻孔可以和其它钻孔一起钻出，一些钻孔可以在其他钻孔开始之前完成，和/或一些钻孔可以部分钻孔并中断而其他钻孔继续进行。

图3是图1的隧道轮廓的局部视图，特别是左上象限，包括单个导孔10和六个形状限定孔20。孔10、20内衬有牺牲衬里(未示出)，其中插入相应的射孔枪(也未示出)。射孔枪允许聚能装药在预定方向上穿孔于牺牲衬里，导致定向爆炸40。这里所示的爆炸40指向待挖掘区域的内部，并且仅来自三个钻孔；然而，可以同时或随后形成额外的穿孔。在替代实施例中，射孔枪可以气动操作以在牺牲衬里中穿孔。

图4是与图3类似的视图，显示了通过水力压裂通过类似于图3所示的那些穿孔形成的裂缝50。

图5是与图3和图4类似的视图，显示了通过冷冻60和通过化学注入70在待挖掘区域外的稳定。这些技术需要使用向外定向的穿孔，远离待挖掘区域。

图6是图2的山坡30中类似于图1的完整隧道100轮廓的视图。在由形状限定孔20限定并被挖掘出来的轮廓80之外，下伏地质已经被加固/稳定以形成围绕隧道的加强区域90。如果需要，可以应用的衬砌选项的示例被描绘为外部混凝土衬里120通过防水膜115与内部混凝土衬里110分开。

许多其他隧道衬砌和修整方法是可用的。例如，可将临时可重复使用的金属成型机放置在隧道内，并在成型机后面施加混凝土120以形成隧道的光滑内壁。一旦混凝土120完全硬化，临时成型机可被移除并在隧道的另一部分重新使用，留下光滑的混凝土120作为内壁。

可选地，在挖掘过程中，可以留下隧道底部上的两个形状限定孔20作为沟渠/槽130，以帮助沿着隧道引导机器(特别是拉铲盾构)。一旦隧道开挖完成，可以之后填充这些沟渠/槽130。

图7是拉铲盾构的侧视图。箭头200表示挖掘过程中拉铲盾构的运动方向。拉铲盾构的轮廓与预定义的外隧道形状相匹配。盾构的前缘202的倾斜角针对所讨论的隧道的特定要求进行优化，并且例如可以是垂直的。

可以通过以下方式将盾构推动通过隧道：通过推动拉铲盾构的液压油缸206来实现，和/或通过附接至探头端部的缆线208实现，其中探头延伸至衬里孔，一直延伸至拉动拉铲盾构向前的绞盘为止。其中后者的方法更为优选，因为便于实现连续运动。

沿着隧道底部的下部的形状限定孔可以在弃土进入盾构的点之后清扫干净，以便拉铲盾构的轮子210(或替代的下方托架)从牺牲衬里开始在留在适当位置的粗糙半管上运行。在拉铲盾构行进过程中不再需要安装导轨或导轨不再需要进一步延伸。

盾构的引线面上的探头204对准并延伸到形状限定孔中。探头204被间隔开并且尺寸设置为使得它们与形状限定孔接合并且拉铲盾构向前移动通过现在预定的隧道形状。虽然孔的精度非常精确，但如果孔的路径偏离目标路线，则探头204将能够容忍一些变化。发生超出公差的偏差的短延伸可能会看到探头缩回，直到它可以在一段时间的挖掘之后通过其他方式重新接合，其中例如在掘进机单元上发现的安装在吊臂上的切割头212来进行重新接合。

探头204配备有可互换的工具，使得它们可以如具体情况所要求的那般残暴或敏感。这些包括但不限于刀盘、旋转切割机圆筒或锥体、带有适合所加工材料的齿的链锯型臂、高压水、犁刀片214和液压分离器216，它们可以根据需要绕隧道轮廓的圆周/周边和/或向内(朝向隧道内部)施加巨大的压力，以进一步释放和分解待去除的材料(除了去除形状限定孔的牺牲性衬里外)。

坍塌/坍落技术可用于要开挖的柔软和/或松散材料，特别是如果隧道周边外的区域已经稳定以形成自支撑壳。对于这种类型的工作，随着拉铲盾构前进，探头装有犁刀片214。

激光阵列(未示出)将不断地扫描218新暴露的挖掘外表面，以确保没有留下向内突出的材料，这样它会污染或阻碍拉铲盾构的前进。当弃土覆盖新暴露的隧道区域时，也可以使用探地雷达。如果发现任何此类区域，就马上通过安装有气动电钻或可互换切割头或其他合适的工具的一个或多个机械臂212来处理这种情况，同时不会影响工作进展。

在拉铲盾构的保护下工作，将弃土连续挖掘(其中挖掘工作需要机械挖掘机220的辅助)至盾构内部的装载机构222上。装载到装载机构222上的动作可能主要是通过拉铲盾构更多地像推土机那样向前移动通过弃土来实现的。通过常规方法来移除弃土；已经在传送机224上将弃土向后移动到新铺设的隧道底部可以承受重型机械的位置处。

图8示出了在孔内使用的预穿孔牺牲衬里的轴向横截面图和斜视图，该衬里具有基本上圆柱形的形状，具有从其外部到内部的穿孔230的阵列。

图9是井下伸缩式化学品输送托架236的视图，该托架236构造成沿着单独的孔238向下行进到需要化学处理的区域。托架包括围绕托架主体242布置的5个伸缩式递送探头240，但也可以设想其他数量的探头240。正在使用的化学品一旦移动到位，便可通过传统方式在压力下泵入托架中。压力导致伸缩式探头延伸，通过牺牲衬里中相应的预穿孔(或在衬里就位时形成的孔)将材料推出孔外。将根据在钻孔过程中获得的地质知识和所需的隧道最终设计强度，在不同情况下选择输送的化学品的量及化学品输送的区域。

图10是井下缆线返回托架的视图，其中示出的托架外壳250透明的。与内衬孔的壁接合的夹紧系统252布置在外壳250上。通过操作员来接合或释放夹紧系统252，从而允许托架在孔内移动，并固定在适当位置，准备绞盘操作。缆线254的第一端与盾构连接。缆线256的第二段与绞盘附接。当绞盘缠绕在缆线256的第二端中，托架内的一系列滑轮258使缆线反向，从而可通过缆线254的第一端拉动盾构。

Claims (9)

1.一种建造地下隧道的方法，所述方法包括以下步骤：

沿着穿过下伏地质的第一预定路径钻出第一孔，所述第一孔的长度至少为25m；沿着穿过所述下伏地质的相应第二预定路径钻出多个第二孔，每个相应第二预定路径基本上与所述第一预定路径平行，从而限定在所述第一预定路径和所述第二预定路径之间的大致为棱柱形的区域；以及

挖掘出所述大致棱柱形的区域内的材料以形成隧道。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述隧道盾构挖掘所述大致棱柱形区域内的材料以形成隧道，所述隧道盾构在其前缘上包括多个探头，所述多个探头中的每个探头与所述第一孔和所述多个第二孔中的相应孔对准。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述盾构是拉铲盾构，并且所述方法还包括拉动所述拉铲盾构穿过所述材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述拉铲盾构由多根线缆拉过所述材料，所述多条线缆中的每条线缆穿过所述第一孔和多个第二孔中的相应孔。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多条缆线中的每条缆线向下穿过所述第一孔和所述多个第二孔中的相应孔到达固定在井下的返回托架，并通过相应孔向上穿回到所述拉铲盾构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在挖掘所述材料之前处理下伏地质以提高挖掘所述材料的效率的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述处理包括对所述大致棱柱形区域内的材料进行水力压裂操作。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其特征在于，所述处理包括稳定所述大致棱柱形区域之外的下伏地质。

9.一种根据前述权利要求中任一项所述的方法来建造地下隧道的系统，其特征在于，所述系统包括：

定向钻井设备，配置为钻出所述第一孔和所述多个第二孔；和

挖掘设备，配置为挖掘由所述第一孔和所述多个第二孔限定的大致棱柱形区域内的材料以形成隧道。

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